高硅氧/酚醛复合材料烧蚀环境下的吸热机理

通过分析高硅氧/酚醛复合材料烧蚀过程中的吸热机制,结合表面烧蚀理论和边界层空气动力学关系,应用质量引射影响系数的半经验公式,建立了烧蚀环境下吸热机理的理论预报方法,并利用氧乙炔焰动态烧蚀实验对该理论预报方法进行了验证。根据烧蚀过程达到稳态时烧蚀材料表面的能量守恒原理,推导了各吸热机理与总吸热量的比重关系,在给定的烧蚀环境工况下,预报了各吸热机理占总吸热量的比重。结果表明,熔融高硅氧纤维的蒸发吸热对总吸热量的贡献最大,所占比重为44.9%,是主要的吸热机制;材料的热容吸热和烧蚀材料向外界环境的热辐射占总吸热量的比重分别为22.3%和20.1%;树脂热解吸热所占比重很小,仅为1.0%,但热解气体引射进入边界层产生热阻塞效应占总吸热量的比重较大,为11.7%。

高硅氧/酚醛复合材料热变形实验测试及表面烧蚀形貌分析

通过非接触式高温变形测量系统,对高硅氧/酚醛防/隔热复合材料在单侧热流载荷作用下的温度和全场高温变形进行了精确测量,并对试样体积烧蚀后的表面微观形貌进行分析。实验结果表明,利用陶瓷板在1 000℃左右对高硅氧/酚醛复合材料试件辐射加热200 s后,通过测量发现距离加热面12.62 mm处热电偶温度峰值为259℃,从而说明高硅氧/酚醛复合材料具有优良的防/隔热性能。通过DIC方法测得试样加热200 s后沿加热方向的最大位移为0.18 mm,且沿着试样加热方向位移呈现出逐渐递减的规律。通过对材料烧蚀后表面形貌微观观测和分析,发现在试样加热面上出现了凹凸不平的烧蚀坑,并出现了一层很薄的高硅氧纤维高温熔融后的硅氧化合物颗粒结晶状物质。

变温域纤维增强复合材料的损伤定位研究

纤维增强复合材料因其轻质高强、易成型和可设计性强等优异性能,成为众多工程结构用材首选,然而其结构易产生多种形式损伤,降低了材料的可靠性和安全性,故对复合材料进行实时健康监测及损伤定位研究具有重要意义。声发射(Acoustic emission,AE)技术可以有效地检测复合材料中的微小损伤,基于光纤光栅声发射监测系统不受电磁干扰,可在多点同时测量多个物理量,但实现高精度损伤定位仍需进一步研究。为此,构建了一种四通道温度自适应光纤布拉格光栅(Fiber Bragg gratings,FBG)声发射监测系统,可以快速追踪、及时反馈、实时监测FBG的中心波长变化,提高定位精度,在变温域内对碳纤维增强复合材料的损伤定位进行监测,研究结果表明,该系统平均损伤定位误差为12%。

三维轴编C/C复合材料双向拉伸实验研究

设计了双向拉伸十字型试样,采用不同的加载比例和加载方向对三维轴编C/C复合材料进行双向拉伸实验,面内方向施加1∶1和1∶2的载荷,面外方向施加1∶1的载荷。实验结果表明,十字型试样的初始破坏发生在中心打薄区域,材料为脆性断裂。面内双向拉伸破坏主要为径向纤维束的断裂和基体的开裂,断口大多沿60°方向;面外双向拉伸破坏主要以纤维束的断裂、炭棒的拔出和基体开裂为主,断口形貌较为复杂。材料在不同载荷形式下有着不同的强度值,相对于单向拉伸强度,存在强度弱化现象。根据实验数据确定了蔡-吴强度准则的参数,为三维轴编C/C复合材料结构强度设计及校核提供参考。

多向编织炭/炭复合材料烧蚀/侵蚀特性研究

利用以星型交流电弧加热器为核心的地面模拟系统,对多向编织炭/炭复合材料的烧蚀/侵蚀特性进行了考核,通过对材料烧蚀表面温度、烧蚀后微观结构的观察,研究了该类材料的烧蚀行为。研究发现,烧蚀/侵蚀耦合作用下,多向编织炭/炭复合材料烧蚀表面的升温速率、烧蚀平衡温度均有不同程度的增加,烧蚀平衡温度增幅约为200～300℃;多向编织炭/炭复合材料内部微结构特性引起纤维、基体及界面间的烧蚀不均匀,界面烧蚀破坏了纤维束与基体间的联系,使得纤维束与基体同时失去了支持,形成烧蚀表面脱层;烧蚀表面存在少量的Al2O3粒子沉积,垂直烧蚀表面的纤维裸露出表面,因粒子撞击所施加的弯曲动量而折断,不会形成热化学烧蚀下的针状纤维结构,纤维断裂较平齐;粒子侵蚀作用在产生直接的材料质量损失同时,间接损伤使材料表面变得"松软",促进了材料的热化学烧蚀和机械剥蚀,线烧蚀率显著增大。

多向轴编C/C复合材料微结构Micro-CT原位扫描与拉伸破坏机理

采用高分辨X射线断层扫描（Micro—CT）技术，对多向轴编C／C复合材料内部微细观结构特征给予统计分析，研究了该材料在室温环境下的拉伸性能与破坏机理。结果表明，4D轴编C／C材料的各向增强纤维束截面形态较规整，走向较平直，未见相互挤压变形；在炭基体、纤维束与基体间的界面层内部随机分布着大量的孔洞、裂纹及脱层等微缺陷，其中界面层内孔洞平均孔径约为138μm，孔隙率高达25％～30％，显著影响界面剪切性能。材料轴向拉伸主要表现为2种失效形式，分别为纤维束棒拔脱和纤维束棒断裂，呈现为假塑性断裂，界面剪切强度、纤维柬拉伸强度是轴向拉伸性能的关键控制因素。径向拉伸以纤维束断裂为主要破坏形式，呈现脆性断裂特性，轴向拉伸非线性较径向显著，纤维束拉伸强度是径向拉伸性能的关键控制因素。

具有气凝胶结构特征的C/SiO2和C/SiC复合材料研究进展

具有气凝胶结构特征的C/SiO_2和C/SiC复合材料因其多样的结构存在形式和多孔、轻质、耐高温等特性,在高温隔热、吸附、催化、储氢、光电等多种领域具有广泛的应用前景和研究价值。依据硅源与碳源的不同引入方式,本文综述了采用共聚法、浸入法和聚合物先驱体热解法制备的具有气凝胶结构特征的C/SiO_2和C/SiC复合材料的研究现状。借助碳材料与SiO_2两者间的相对存在形式,探讨了这三种工艺方法制备C/SiO_2和C/SiC复合材料的工艺特点,分析了材料所呈现的组织结构特征、合成机理和性能特点,并对其潜在的应用前景进行了展望。硅与碳之间多样的复合方式使C/SiO_2和C/SiC复合材料呈现出多样的材料特征和特性,为相关研究开辟了新的方向。

热物理性能对高硅氧/酚醛复合材料烧蚀性能的影响

根据高硅氧/酚醛复合材料的烧蚀机理,建立了包括烧蚀退移层、化学反应边界层、液态层、炭化层、热解层、原始材料层的自外向内的物理模型,针对平板烧蚀问题,预报了热导率、比定压热容、驻点焓值等热物理性能对高硅氧/酚醛复合材料的表面烧蚀后退率、壁面温度、气化烧蚀速率、热阻塞效应因子、气化分数等烧蚀性能的影响。结果表明,低热导率能使表面烧蚀后退率明显降低,但却使壁面温度、热阻塞效应因子及材料的气化分数升高;而高的比定压热容则能大大降低表面烧蚀后退率和壁面温度;随驻点焓值的增加,表面烧蚀后退率和壁面温度都增大。

2D C/C复合材料超高温压缩性能试验研究

基于C/C复合材料良好导电特性,采用试样直接通电加热技术,对2D C/C复合材料在室温~2 400℃范围的压缩性能进行了试验研究,发展了C/C复合材料超高温力学性能试验方法,得到了2D C/C材料压缩强度、模量随温度的变化规律及其破坏模式。结果表明,2D C/C材料在一定温度范围内表现为线弹性、脆性破坏,压缩强度与模量随温度升高而增加,其中强度较模量增幅显著,强度在2 400℃左右达到最大;纤维束层间界面性能在2D C/C复合材料中起着重要作用,层间界面性能的改变直接影响着材料的力学性能及其破坏模式。

界面层对纤维增韧陶瓷基复合材料力学性能影响的研究进展

以短切碳纤维增韧陶瓷基复合材料、连续碳纤维增韧陶瓷基复合材料、碳化硅纤维增韧陶瓷基复合材料为对象,综述了近年来关于界面层对FTCMCs破坏模式影响的实验研究工作。从微观力学模型建立、多尺度损伤分析两方面总结归纳了考虑界面层的FTCMCs力学性能模拟分析方法,提出建立切合实际的物理模型以及开发更先进的多尺度分析方法,是解决复杂服役环境下FTCMCs性能表征难题的有效途径。通过多场耦合多尺度建模分析方法来表征和优化FTCMCs的复杂服役环境下性能,系统揭示界面层等微观结构与宏观复合材料性能的对应关系,进而指导工艺设计,均是未来纤维增韧陶瓷基复合材料界面层的重点研究方向。

超声冲击共振法检测复合材料内部缺陷及缺陷分布绘制

为实现大尺寸CFRP材料内部缺陷的检测,利用超声冲击共振法简单易操作的特点,使用搭载于桌面的超声共振法检测设备,对蜂窝夹层结构复合材料预置缺陷件进行了检测,并实时记录了检测位置和缺陷状况,验证超声共振法的可行性与准确度.搭建大尺寸复合材料构件缺陷检测平台,使用超声检测设备在试样表面匀速运动与检测,实时记录并分析实验结果,利用开发的定位记录软件得到了缺陷分布云图.实验结果表明:基于超声冲击共振法检测材料缺陷的方法操作简便、成本低廉、易上手、结果准确,可以用于大尺寸复合材料内部缺陷的检测.

Ti2AlC陶瓷弥散增强Al基复合材料的制备及剪切性能

采用自蔓延高温合成法制备高纯Ti 2AlC粉体材料,以CuSO 4·5H 2O为Cu源在Ti 2AlC粉体表面进行化学镀,并将镀铜后的陶瓷颗粒与Al粉进行混合,采用热压烧结法制备了Ti 2AlC陶瓷弥散增强Al基材料。结果表明,Ti 2AlC具有自催化效应,无需进行任何表面预处理,即可得到均匀稳定的纳米Cu镀层,增强相颗粒对金属基体起到了有效的钉扎作用;制备的Cu包覆Ti 2AlC陶瓷弥散增强Al基材料主相为Al、Ti 2AlC、Al 2Cu。Al 2Cu的存在可以很好地桥连Al基体与Ti 2AlC陶瓷颗粒,引入Cu镀层后复合材料的抗剪切性能提高了65.7%。

宽温域无氧环境下热电器件性能实验及仿真

针对热电器件在高温无氧环境下的应用特点,对方钴矿/碲化铋两级热电器件的热电转换效率进行实验测试。采用石英灯辐射加热和强制水冷散热的方式提供稳定的宽温域条件,全程不断注入氩气的方式制造无氧环境,设计测试电路利用伏安法获得该器件的热电输出性能。根据热电转换原理推导出热、电物理场的耦合控制方程,并通过数值方法对实验过程中的传热及热电转换进行模拟。对比分析发现实验装置中不同组件之间存在的接触热阻直接影响了热电器件上下表面的温差,从而影响了热电器件的发电效率,为热电器件在宽温域无氧环境下的应用奠定实验及理论基础。

空间折叠薄膜管的充气展开动力学实验研究

空间折叠薄膜管是空间充气展开结构的基本支撑部件,Z形折叠是充气展开管的基本折叠方式之一.针对空间微重力环境,建立了折叠薄膜管的充气展开实验系统,采用气浮导轨,解决了地面重力对充气展开过程的影响;采用非接触式的光电测量方式,有效地避免了接触式传感器对充气展开过程的干扰.针对V形折叠薄膜管,研究了不同的充气流量、薄膜管尺寸效应以及展开端有无有效载荷对充气展开动力学特性的影响;通过实验研究,选择充气流量、管子直径和载荷质量为主定参量,对充气展开过程进行量纲分析和实验误差分析,结果表明,折叠薄膜管的充气展开最大速度与充气的体积流量成正比,与管直径的立方成反比.

非晶金刚石与非晶碳化锗复合增透保护膜系的设计与实现

为了有效保护硫化锌等红外光学元件并提高其在工作波段的透过率,根据薄膜光学原理进行增透设计,从而获得膜系光学参数;采用射频磁控溅射技术制备非晶碳化锗薄膜,通过调整甲烷流速比调整薄膜的折射率,根据流速比和沉积时间控制膜厚,再用过滤阴极真空电弧技术制备非晶金刚石薄膜,分别改变衬底偏压和沉积时间控制薄膜的折射率和膜厚.利用光谱椭偏仪和台阶仪表征薄膜折射率和膜厚,通过小角X射线反射和X射线光电子谱测试非晶金刚石薄膜的密度和非晶碳化锗薄膜中的锗含量,使用纳米压痕仪和傅里叶红外透射谱仪确定薄膜的硬度和红外透过率.试验表明,非晶金刚石和非晶碳化锗薄膜的折射率分别与薄膜的密度和薄膜中的锗含量密切相关,非晶金刚石与非晶碳化锗复合膜系是硫化锌等红外光学元件性能优异的增透保护膜.

蓝宝石单晶窗口材料空间粒子辐照效应研究

蓝宝石单晶(α-Al2O3)窗口材料服役于空间环境中将不可避免地受到各种不同射线及离子流的辐照作用,影响其使用性能。本文研究了蓝宝石单晶经不同剂量质子流、电子流以及综合流辐照后其表面粗糙度、透过率以及面形精度等光学性能和结构的变化。实验表明空间粒子辐照使蓝宝石表面粗糙度增大且具有剂量效应,其中综合流对表面粗糙度影响最大,质子次之,电子影响最小;UV-Vis-VIR及FTIR测试实验表明空间粒子辐照使蓝宝石透过率下降,在紫外波段下降最明显,且在不同波段范围内不同辐照粒子种类对蓝宝石单晶透过率的影响程度也不同;粒子辐照对面形精度的影响不明显。

双锥构型三维点阵材料压缩特性

对空心杆双锥构型点阵材料的压缩性能进行研究,对比了点阵材料与均质材料的压缩性能.点阵材料及均质材料的试件都采用多喷头光固化树脂增材制造技术制备,通过试验测试了均质材料件及2种元胞尺寸点阵材料件的压缩性能,获得了不同应变率载荷下的压缩应力-应变曲线,探索了元胞尺寸、加载应变率对材料压缩性能的影响,得到了材料破坏前的应力-应变关系预测表达式,应力预测结果与试验结果相吻合.研究结果表明:点阵材料的元胞尺寸对材料压缩性能影响显著;不同应变率下点阵材料的屈服应变变化不大,屈服强度差异相对较大;制备的点阵材料屈服应变大于均质材料屈服应变,但屈服强度不具备优势.

三元层状材料结构调控及性能研究进展

MAX/MAB相是一类非范德华三元层状材料,具有丰富的元素组成和晶体结构,兼具陶瓷和金属的物理性质,在高温、强腐蚀、辐照等极端环境中极具应用潜力。近年来,由MAX/MAB相衍生的二维(2D)材料(MXene和MBene)在材料物理与材料化学领域引起了广泛兴趣,已经成为继石墨烯和过渡金属硫族化合物之后最受关注的二维范德华材料。MAX/MAB相材料结构调控不仅对这类非范德华层状材料本征性能产生重要影响,而且对其衍生的二维范德华材料结构功能特性研究也具有重要价值。本文归纳和总结了MAX/MAB相层状材料在结构调控、理论计算和应用基础研究等方向的最新科研进展,并展望了该类层状材料未来发展方向。

复合材料多尺度分析方法与典型元件拉伸损伤模拟

复合材料具有多尺度特性,多尺度模拟方法能够考虑细观损伤、演变对宏观材料性能和力学行为的影响,是复合材料响应分析的一种重要方法和手段。基于多尺度渐进展开理论,对复合材料弹性问题控制方程进行尺度分解,推导了细观尺度与宏观尺度的控制方程,建立了复合材料宏观和细观尺度响应之间的关联。基于协同多尺度计算策略,利用通用有限元软件的用户子程序与脚本二次开发,在宏观模型计算中实时调用细观模型进行多尺度渐进损伤模拟,实现了宏观和细观尺度的信息传递与反馈。建立的复合材料多尺度数值模拟方法可以快速集成细观损伤模型以及宏观唯象强度理论,具有良好的通用性。碳/碳复合材料拉伸模拟算例结果与试验结果吻合较好。

三维机织碳/碳复合材料双轴压缩载荷下的力学行为

基于三维机织碳/碳复合材料的细观结构特征,设计平板十字形试样,在材料双轴力学性能试验机上开展了复合材料单轴、双轴加载压缩试验,对比分析了三维机织碳/碳复合材料在双轴压缩载荷下的力学行为。研究表明:三维机织碳/碳复合材料的压缩行为表现为非线性、脆性断裂;双轴载荷作用下非线性特征更为显著,压缩模量随应力的增加而增大,强度与模量相较于单轴有较大幅度增加,双轴压缩载荷作用下材料的强化效应显著;试样破坏位置并未出现在试样中心区,而是发生在试样的加载端部或十字形试样的加载分枝根部,主要表现为基体开裂、纤维断裂和层间脱粘,碳布及其层间界面剪切强度的强弱直接影响材料的压缩强度。